AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA

im. Stanisława Staszica

w KRAKOWIE

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

Kierunek: Automatyka i Robotyka

Rok II

Projekt techniczny chwytaka

projektował: .

Maciej Schmidt

Grupa IV .

SPIS TREŚCI

1. Lista wymagań

2. Siła chwytu szczęk

3. Schemat fizyczny i obliczeniowy chwytaka

a) charakterystyka przesunięciowa

b) charakterystyka siłowa

4. Ocena wariantów strukturalnych i wybór rozwiązania optymalnego

5. Obliczenia i dobór napędu

6. Obliczenia wytrzymałościowe

7. Rysunek zestawieniowy chwytaka

8. Rysunki wykonawcze chwytaka

Literatura:

[1] A.Morecki, J.Knapczyk „Podstawy robotyki”, WNT, Warszawa 1993

[2] K.Tomaszewski „Roboty przemysłowe: Projektowanie układów

mechanicznych”, WNT, Warszawa 1993

1. LISTA WYMAGAŃ

Obiekty manipulacji:

• wałki i tuleje,

• średnica: < 150 mm,

• długość: 100-150 mm,

• materiał: stal, mosiądz,

• ciężar: 60 N.

Strefa przenoszenia:

• pozycja dowolna,

• siła zacisku palców robota, nie odkształcająca wałka (tulei).

Strefa chwytania:

• gabaryty 150 x 150 x 150 mm (szer. x wys. x dł.)

• położenie wałka (tulei) w pozycji poziomej

2. SIŁA CHWYTU SZCZĘK

RYS. 1

k- długość płata szczęk,

d- średnica obiektu manipulacji

γ- połowa kąta rozwarcia szczęk

Q- ciężar obiektu manipulacji

T- siła tarcia między szczękami a obiektem manipulacji w jednym punkcie [N],

N- siła normalna oddziaływania szczęk i obiektu manipulacji [N],

n- współczynnik bezpieczeństwa chwytaka

μ- współczynnik tarcia między szczękami i obiektem manipulacji

d = 150 mm n = 2 Q = 60 N γ = 70°  = 0.2

Z powyższego rysunku wynika, że następująca zależność: F = 2⋅N⋅cos(-γ),

a stąd N = . Jeśli założymy, że szczęki zostaną wykonane z materiału o współczynniku tarcia   0.2 to otrzymamy następujące dane w wyniku kolejnych obliczeń.

  ⋅N

T = !Nieoczekiwany koniec formuły

Jeśli 4⋅T = !Nieoczekiwany koniec formuły ≥ Q⋅n to F ≥ !Nieoczekiwany koniec formuły oraz k > !Nieoczekiwany koniec formuły.

Przyjmujemy, że F i k są równe swoim najniższym oszacowaniom i po podstawieniu wartości liczbowych otrzymujemy: F = 282 N, k = 27 mm .

Do dalszych obliczeń przyjmujemy:

F = 300 N

k = 30 mm

3. SCHEMAT FIZYCZNY I OBLICZENIOWY CHWYTAKA

a) charakterystyka przesunięciowa

RYS. 2

Z powyższych rysunków wynika następujący układ równań:

a + b⋅cos() - c⋅cos() - f = 0 (1)

b⋅sin() - c⋅sin() - d = 0 (2)

Z równania (2) otrzymujemy, że: b = !Nieoczekiwany koniec formuły. Po wstawieniu do (1) otrzymujemy, że: a - f - c⋅cos() + (d + c⋅sin())⋅ctg() = 0.

Stąd otrzymujemy, że:

(a) = 2⋅arctg!Nieoczekiwany koniec formuły !Nieoczekiwany koniec formuły⋅

a interesująca nas charakterystyka przesunięciowa ma następującą postać:

y(a) = d + c⋅sin((a)) - e⋅sin(180°-  - (a))

Otrzymane trzy charakterystyki przesunięciowe umieszczono na rysunku 3 (wykres).

RYS. 3

Wyznaczone wartości wymiarów chwytaka:

a = 20..45 mm f = 20 mm

c₀ = 90 mm d₀ = 65 mm e₀ = 60 mm ₀ = 60° ₀ = 175°

c₁ = 100 mm d₁ = 70 mm e₁ = 50 mm ₁ = 45° ₁ = 165°

c₂ = 80 mm d₂ = 60 mm e₂ = 45 mm ₂ = 55° ₂ = 165°

b) charakterystyka siłowa

RYS. 4

P - siła pochodząca od siłownika

F₁ - siła prostopadła do cięgna c

F₂ - siła prostopadła do ramienia f

F - obliczona w punkcie 2 siła uchwytu szczęk

Rozkładamy siłę posuwu na dwie składowe: równoległą do cięgna c oraz prostopadła do niego. Z warunków równowagi dla przegubu (ramię dźwigni c-e) otrzymuję, że F₁⋅c = F₂⋅f. Wartość ramienia f obliczam z twierdzenia cosinusów, czyli: f = !Nieoczekiwany koniec formuły. Wartość siły F, która nas interesuje, obliczamy ze wzorów:

F₁ = P ⋅ sin((a))

F₁^' = !Nieoczekiwany koniec formuły

F₂ = !Nieoczekiwany koniec formuły

F = F₂ ⋅ cos((a))

czyli:

F(a) = !Nieoczekiwany koniec formuły⋅cos((a))

Zakładam, że P = 2250 N. Dla takiego P otrzymane charakterystyki siłowe są następujące:

RYS. 5

4. OCENA WARIANTÓW STRUKTURALNYCH I WYBÓR

ROZWIĄZANIA OPTYMALNEGO

W celu znalezienia jak najbardziej optymalnego wariantu pod uwagę biorę:

• jak najbardziej płaską i liniową charakterystykę przesunięciową.

• optymalny skok siłownika w celu dobrej sterowalności ruchu ramion chwytaka.

• jak największy stosunek siłowy dla interesującego nas zakresu przesunięć tłoka.

• jak najbardziej płaska charakterystyka siłowa dla interesującego nas zakresu przesunięć tłoka;

Do dalszych obliczeń przyjmuję zatem wymiary dla charakterystyki 0, czyli:

c = 90 mm, d = 65 mm, e = 60 mm,  = 60°,  = 175°. Skok siłownika przyjmuję równy 10 mm (a = 20..30 mm)

5. OBLICZENIA I DOBÓR NAPĘDU

RYS. 6

p_p - ciśnienie wlotowe pchające _,

p_c - ciśnienie wlotowe ciągnące,

P_p - siła pchająca - rozwieranie szczęk

P_c - siła ciągnąca - zaciskanie szczęk

P_n - ciśnienie nominalne w sieci

Dla dalszych obliczeń przyjmuję, że ciśnienie nominalne powietrza wynosi 0.6MPa, czyli p_p=p_c=0.6 Mpa, natomiast maksymalna siła ciągnąca P, dla której siła otrzymana z charakterystyki przekracza przyjętą siłę ścisku F = 300 N wynosi 2250 N.

Wymagana siła P_x jest większa od siły teoretycznej. Można to zapisać jako:

P_x = k⋅P

gdzie:

k - bezwymiarowy współczynnik zależny od rodzaju ruchu i obciążenia

P- siła pchająca P_p lub ciągnąca P_c obciążająca siłownik.

Dla:

• wolnych przebiegów k=1.2 (obciążenie przy końcu skoku)

• szybkich przebiegów k=1.35(obciążenie przy końcu skoku)

• szybkich przebiegów k=1.5(obciążenie na całym skoku)

Przyjmuję k = 1.35. Stąd otrzymujemy: P_x = 3038 N

Siła teoretyczna cylindrów pneumatycznych:

P_t = !Nieoczekiwany koniec formuły⋅p_p P_t = !Nieoczekiwany koniec formuły⋅p_p

Dla siłownika o średnicy D = 80 mm i średnicy tłoka d = 20 mm siła teoretyczna cylindrów pneumatycznych przy ruchu ciągnącym wynosi P_c = 3016 N, co stanowi 99% siły P_x, jest to tak niewielka różnica, że z powodzeniem można zastosować właśnie taki siłownik. Dla ruchu pchającego potrzebna jest mniejsza siła.

Przyjmuję zatem bezsmarowy siłownik pneumatyczny firmy `PREMA' z jednostronnym tłoczyskiem dwustronnego działania o skoku s=10 mm, średnicy D=80 mm i średnicy tłoka d=20 mm o numerze zamówieniowym 10.020D.0010.

6. OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Do obliczeń wytrzymałościowych wybieram sworzeń w przegubie, do którego zamocowana jest dźwignia (ramię), do którego przymocowane są szczęki.

RYS. 7

Naprężenia ścinające występują w dwóch przekrojach połączenia B-B oraz C-C. Jeżeli założyć symetrię obciążenia to płaskownik górny i dolny przenoszą połowę siły przyłożonej do złącza. Zatem siła tnąca występująca w jednym przekroju wynosi: T = !Nieoczekiwany koniec formuły. Zakładając równomierny rozkład naprężeń w każdym przekroju kołowym sworznia otrzymamy naprężenia ścinające:  = !Nieoczekiwany koniec formuły, gdzie A - przekrój, czyli  = !Nieoczekiwany koniec formuły . Do wykonania sworznia przyjmuję stal 18G2, dla której k_t=300MPa. Jeśli S = 2250, to średnica sworznia powinna wynosić:

d ≥ !Nieoczekiwany koniec formuły

czyli po podstawieniu danych liczbowych: d ≥ 2.18 mm.

Przyjmuje zatem d = 3 mm.

Projekt techniczny chwytaka str. 8

---